LF-VD 與LF-RH 工藝生產管線鋼潔凈度的對比研究

詹美珠，李向奎，王勝東

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 唐山 063200）

隨著管線鋼在長輸油氣管道中的正式應用，對鋼材的止裂韌性、焊接性、抗腐蝕性提出更高要求，因此必須嚴格控制管線鋼中非金屬夾雜[1-5]。鋼中的非金屬夾雜物主要是指鋼中的硫化物、硅酸鹽、鋁酸鹽和氮化物等。這些化合物通常不具有金屬性質，摻雜在鋼組織中，雖然數量較少，但對鋼的性能影響較大，其所產生的影響往往是負面的。Kushida 等人的[6-8]研究表明，鋼板中鋁酸鹽夾雜物易引發氫致裂紋。還有研究表明[9-11]，夾雜物對鋼強度影響很小，但對疲勞性能、沖擊韌性和塑性影響很大，其影響程度與夾雜物的類型、大小、數量、形態和分布有關，因此嚴格控制夾雜物的類型、大小、數量、形態和分布及提高鋼的純凈度是許多研究者重點關注的問題[12-16]。

非金屬夾雜物主要起源于鋼的脫氧過程，會對最終鋼材的性能（如鋼的塑形、韌性和疲勞性能）產生一定影響，研究夾雜物控制對于管線鋼生產具有重要意義[17-21]。京唐公司在生產管線鋼等對鋼水潔凈度要求較高的鋼種時，由于裝備及生產組織的不盡相同，產生了兩種LF+VD 以及LF+RH 兩種精煉工藝路線。本文通過ASPEX 自動掃描電鏡等對兩種工藝生產出的管線鋼夾雜物控制水平進行研究，為高潔凈度管線鋼的生產提供技術依據。

1 試驗方法

1.1 工藝路線

以LF+VD 及LF+RH 兩種精煉工藝路線生產的管線鋼為研究對象，管線鋼生產所采用的具體工藝路線如下：

工藝一：200 t 鐵水KR 預處理—200 t 轉爐常規冶煉—200 t LF 精煉—200 t VD 真空脫氣處理—純鈣線喂絲處理—200 mm/300 mm/400 mm×（1 600～2 400）mm 大板坯連鑄機—3 500 mm/4 300 mm 寬厚板軋機。轉爐出鋼w（C）＜0.05%，出鋼過程采用鋼砂鋁、硅鐵、錳鐵進行脫氧合金化。通過LF 鋼包精煉進行鋼水深脫硫，處理后保證鋼水w（S）＜0.003%，完成鋼水的主要成分調整，在VD 真空精煉工序進行真空脫氣處理，深真空時間保證大于18 min，并微調成分至內控范圍內，利用純鈣線進行鈣處理，喂線后鋼水軟吹時間大于12 min 后，上回轉臺澆鑄。

工藝二：300 t 鐵水KR 預處理—300 t 轉爐常規冶煉—300 tLF 精煉—300 t RH 真空脫氣處理—純鈣線喂絲處理—237 mm×（1 100～2 150）mm 大板坯連鑄機—2250 熱連軋機。轉爐出鋼w（C）＜0.05%，出鋼過程采用鋼砂鋁、硅鐵、錳鐵進行脫氧合金化。由LF 鋼包精煉工序進行鋼水深脫硫，處理后保證鋼水w（S）＜0.002%，完成鋼水的主要成分調整，在RH 真空精煉工序進行真空脫氣處理，深真空時間保證大于18 min，并微調成分至內控范圍內，利用純鈣線進行鈣處理，喂線后鋼水軟吹時間大于12 min 后，上回轉臺澆鑄。

兩個工藝路線情況如表1 所示。

表1 工藝路線

1.2 取樣、檢測方法

在軋制后鋼板進行取樣，采用ASPEX 自動掃描電鏡對試樣中5 μm 以上的夾雜物進行檢測，對鋼板夾雜物進行評級，利用掃描電鏡對連鑄坯和鋼板中典型夾雜物進行定性分析。兩個工藝的試樣情況如表2、表3 所示。

表2 工藝一試樣情況

2 試驗結果及討論

2.1 檢測結果

夾雜物檢測結果具體情況如表4、表5 所示。由表4、表5 可以看出，工藝一夾雜物數量密度與工藝二相比波動較小。為了衡量工藝一純凈度水平，采用了工藝二生產的X80 純凈度水平作為標準來對比評價夾雜物控制情況，具體對比情況如表6 所示。從檢測試樣的夾雜物數量密度來看，工藝一夾雜物數量密度平均值為2.12 個/mm2，工藝二夾雜物數量密度平均值為2.43 個/mm2，二者水平相當，工藝一略好。

表4 工藝一試樣純凈度Aspex 檢測結果

表5 工藝二試樣純凈度Aspex 檢測結果

表6 純凈度水平對比情況

圖1 為采用兩種工藝生產的管線鋼軋制鋼板夾雜物數量密度情況。從圖1 夾雜物數量密度看，工藝一夾雜物數量密度波動較小，爐次B 夾雜物數量密度較高（該爐金相初驗不合，復驗合格），最大值為2.53 個/mm2，存在大于100 μm 的大型夾雜物。

圖1 檢測試樣夾雜物數量密度

圖2 為采用工藝一所生產的5 爐管線鋼夾雜物尺寸分布情況，從圖中可以看出，采用工藝一所生產的管線鋼夾雜物尺寸主要集中在10μm 以下，大于25 μm 的夾雜物極少。工藝一中爐次B、爐次E 出現了大于50 μm 以上的較大夾雜物，形貌如下頁圖3所示，根據形貌以及能譜結果顯示，該大尺寸夾雜物為鈣鋁酸鹽類夾雜物。

圖2 檢測試樣夾雜物尺寸分布

圖3 大于25 μm 的夾雜物（鈣鋁酸鹽）

為了確定兩種工藝生產管線鋼夾雜物類別，利用ASPEX 自動掃描電鏡對樣品進行分析，并繪制成三元相圖。工藝一各個試樣的夾雜物成分的三元投影圖如下頁圖4—圖8 所示，從圖中可以看出，夾雜物主要為CaO-Al2O3-CaS 等鈣鋁酸鹽夾雜物。

圖4 爐次A 夾雜組成三元圖

圖5 爐次B 夾雜組成三元圖

圖6 爐次C 夾雜組成三元圖

圖7 爐次D 夾雜組成三元圖

圖8 爐次E 夾雜組成三元圖

工藝二中X80 試樣的夾雜物成分三元投影圖見圖9—圖14，從圖中可以看出夾雜物以Al2O3夾雜物為主，含有少量的CaO、CaS。

圖9 爐次F 夾雜組成三元圖

圖10 爐次G 夾雜組成三元圖

圖11 爐次H 夾雜組成三元圖

圖12 爐次I 夾雜組成三元圖

圖13 爐次J 中間坯夾雜組成三元圖

圖14 爐次K 正常坯夾雜組成三元圖

2.2 關鍵過程參數控制情況

選取純凈度要求高的管線鋼，根據影響純凈度的關鍵過程參數控制合格率來對工藝一和工藝二進行純凈度控制水平間接對比評價，工藝一選取某月生產的X65/X70/X80 管線鋼，工藝二選取某月中俄東線X80 管線鋼作為對比標準（該管線鋼經過中俄東線工程應用，質量良好，夾雜檢驗以及鋼管探傷都合格）。各關鍵過程參數控制標準及合格率分別如表7—表12 所示。

表7 煉鋼工序參數控制標準

表8 精煉工序參數控制標準

表9 連鑄工序參數控制標準

表10 煉鋼工序參數控制合格率

表11 精煉工序參數控制合格率

表12 連鑄過程參數控制合格率

通過過程參數合格率對比情況來看，結果如下：

1）煉鋼—精煉—連鑄工序28 個影響純凈度關鍵過程參數中，工藝一比工藝二差的有8 個，持平的為9 個，比工藝二好的有8 個，其他3 個對比評價性不強（精煉軟吹流量因兩個工藝控制模式不同；連澆噸位及換包噸位受中包容量影響）。

2）工藝一比工藝二好的8 個指標為到轉爐終點溫度、進站w（Al）、進站溫度、最小真空度、澆注過程增w（N）、中包鋁損、精煉Ca 線喂入量及結束w（Ca）。

3）工藝一比工藝二差的8 個指標為終點w（O）、終渣w（TFe）、轉爐終點w（S）、LF 升溫次數、LF 爐終渣w（MnO+FeO）、精煉結束鋁比m（Als）/m（Alt）、中包鋁比m（Als）/m（Alt）、中包w（Ca），因此還需增加過程控制穩定性。

3 結論

1）從檢測試樣的夾雜物數量密度來看，工藝一夾雜物數量密度平均值為2.12 個/mm2，工藝二夾雜物數量密度平均值為2.43 個/mm2，二者水平相當，工藝一略好。工藝一夾雜物數量密度波動較小，爐次B 夾雜物數量密度較高（該爐金相初驗不合，復驗合格），最大值為2.53 個/mm2，存在大于100 μ 的大型夾雜物。工藝二澆次頭爐爐次F 的頭坯夾雜物數量密度最高，達到3.99 個/mm2；其次為澆次第二爐爐次G，達到3.26 個/mm2。尾爐爐次J 的換包混澆中間坯夾雜物數量密度為2.69 個/mm2，明顯高于該爐次正常坯（0.83 個/mm2）。

2）從夾雜物尺寸分布看，主要為集中于10 μm以下的非常小的夾雜物，大于20 μm 的夾雜物極少，工藝一爐次B、爐次E 出現了大于25 μm 以上的較大夾雜物；從各個試樣的夾雜物成分三元投影圖可以看出，工藝一試樣中的夾雜物主要為CaO-Al2O3-CaS 等鈣鋁酸鹽夾雜物。

3）煉鋼—精煉—連鑄工序28 個影響純凈度關鍵過程參數中，工藝一比工藝二差的有8 個，持平的有9 個，好于工藝二的有8 個，其他3 個對比評價性不強（精煉軟吹流量因兩個工藝控制模式不同；連澆噸位及換包噸位受中包容量影響）。